ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 08.07.2020
Просмотров: 9493
Скачиваний: 16
Наше предположение о несущественности влияния планет является верным, но было бы ошибкой думать, что мы можем автоматически исключить различные факторы просто потому, что, как мы полагаем, они не оказывают никакого влияния на процесс. Не существует никакого способа убедиться в этом, пока не будут проведены экспериментальные испытания. Вообразите, что вы живете до изобретения радио. Кто-то ставит на ваш стол ящик и говорит вам о том, что если кто-либо поет в некотором месте на расстоянии тысячи миль отсюда, то вы услышите, как прибор в этом ящике исполняет точно ту же самую песню, в том же самом тоне и ритме. Поверите ли вы этому? Вероятно, вы ответите: «Невозможно. Не существует никаких электрических проводов, связанных c этим ящиком. Из моего опыта я знаю, что ничто происходящее за тысячу миль отсюда не может иметь какого-либо влияния на происходящее в этой комнате».
Это точно то же самое рассуждение, посредством которого мы пришли к выводу, что положение планет не может влиять на наш эксперимент c водородом! Очевидно, мы должны быть очень осторожными. Иногда существуют воздействия, о которых мы не можем знать, пока они не обнаружены. По этой причине самый первый шаг в нашем эксперименте, определяющий существенные факторы, иногда является трудным. Кроме того, этот шаг часто явно не указывается в отчетах об исследованиях. Ученый описывает только приборы, которые он использует, эксперимент, который осуществляет, и то, что он открывает в отношениях между некоторыми величинами. Он не добавляет к этому: «И кроме того, я обнаружил, что такие-то факторы не оказывают влияния на результат». В большинстве случаев, когда область, в которой происходят исследования, достаточно известна, ученый будет считать само собой разумеющимся, что другие факторы являются несущественными. Он может быть совершенно прав, но в новых областях следует быть крайне осторожным. Конечно, никто не будет считать, что на лабораторный эксперимент может повлиять то обстоятельство, смотрим ли мы на приборы c расстояния в десять дюймов или десять футов, или же находимся ли мы в добром или дурном расположении духа. Эти факторы, вероятно, несущественны, но абсолютно быть уверенными в этом мы не можем. Если кто-то подозревает, что эти факторы существенны, то должен быть проведен эксперимент, исключающий их.
Практические соображения будут удерживать нас, конечно, от испытания каждого фактора, который может быть существенным. Могут быть испытаны тысячи маловероятных возможностей, но просто не будет времени, чтобы исследовать их все. Мы должны руководствоваться здравым смыслом и уточнять свои предположения, только если случится нечто неожиданное, заставляющее нас рассматривать в качестве существенного фактор, который мы прежде игнорировали. Будет ли цвет листьев на деревьях вне лаборатории влиять на длину волны света, который мы используем в эксперименте? Будут ли части прибора функционировать иначе в зависимости от того, находится ли их законный владелец в Нью-Йорке или Чикаго, или же в зависимости от его отношения к эксперименту? Очевидно, что мы не имеем времени, чтобы испытать такие факторы. Мы предполагаем, что духовное состояние владельца оборудования не имеет никакого физического влияния на эксперимент, но члены некоторых племен могут думать иначе. Они могут верить в то, что боги будут помогать эксперименту, если владелец прибора хочет, чтобы эксперимент был осуществлен, и не будут, если собственник этого не хочет. Существующие верования могут, таким образом, влиять на то, что считать существенным. В большинстве случаев ученый, размышляя о проблеме, делает обычные догадки о том, какие факторы заслуживают рассмотрения, и, возможно, даже осуществит несколько предварительных экспериментов, чтобы исключить факторы, в которых он сомневается.
Предположим, что мы решили, что существенными факторами в нашем эксперименте c водородом являются температура, давление и объем. В нашем сосуде состав и общее количество газа остаются теми же самыми, потому что мы держим сосуд закрытым. Мы свободны, таким образом, в проверке отношения между тремя факторами. Если мы поддерживаем постоянную температуру, но увеличиваем давление, тогда мы обнаруживаем, что объем изменяется обратно пропорционально давлению, то есть если мы удвоим давление, то объем уменьшится на половину прежней величины. Если мы утроим давление, то объем уменьшится на одну треть. Этот известный эксперимент был осуществлен в семнадцатом столетни ирландским физиком Робертом Бойлем. Закон, который он открыл, известный как закон Бойля, утверждаем что если температура газа в замкнутом сосуде остается постоянной, то произведение объема на давление есть константа.
Затем мы сохраняем постоянным давление (помещая тот же самый груз на поршень), но изменяем температуру. Тогда мы обнаруживаем, что объем увеличивается, когда газ нагревается, и уменьшается, когда газ охлаждается. Путем измерения объема и температуры мы найдем, что объем пропорционален температуре. (Эту зависимость иногда называют законом Шарля в честь французского ученого Жака Шарля.) Мы должны позаботиться о том, чтобы не использовать при измерении ни шкалу Фаренгейта, ни Цельсия, а взять шкалу, в которой нуль является «абсолютным нулем» или равен — 273° шкалы Цельсия. Это — «абсолютная шкала», или «шкала Кельвина», введенная лордом Кельвином, английским физиком девятнадцатого века. Теперь легко приступить к экспериментальной верификации общего закона, охватывающего все три фактора. Такой закон фактически предполагается двумя законами, которые мы уже получили, но общий закон имеет большее эмпирическое содержание, чем два закона, взятые вместе. Этот общий закон утверждает, что если количество газа в замкнутом сосуде остается постоянным, то произведение давления на объем равно произведению температуры на R (PxV=TxR). В этом уравнении R представляет константу, которая меняется в зависимости от количества взятого газа. Таким образом, этот общий закон выражает отношение между всеми тремя величинами и является более эффективным для предсказаний, чем два других объединенных закона. Если мы знаем значения любых двух из трех переменных величин, тогда мы можем легко предсказать третью.
Этот пример простого эксперимента показывает, как можно сохранить некоторые факторы постоянными, чтобы исследовать зависимости, существующие между другими факторами. Он также показывает — и это очень важно — плодотворность количественных понятий. Законы, определяемые c помощью этого эксперимента, предполагают умение измерять различные величины. Если бы это было не так, тогда пришлось бы сформулировать законы качественным образом. Такие законы будут значительно слабее и менее полезны для предсказаний. Без численных значений для давления, объема и температуры самое большее, что можно сказать об одной из величин, — это то, что она остается той же самой, или увеличивается, или уменьшается. Так, мы могли бы сформулировать закон Бойля следующим образом: если температура газа в замкнутом сосуде остается той же самой, а давление увеличивается, тогда объем будет уменьшаться. Когда давление уменьшается, объем увеличивается. Это, конечно, закон. Некоторым образом он даже похож на закон Бойля, но он, однако, значительно слабее его, потому что не дает нам возможности предсказать значение величины. Мы можем предсказать только то, что величина будет возрастать, уменьшаться или останется постоянной...
Мы видим, следовательно, как мало можно было бы сделать предсказаний и какими грубыми были бы объяснения, если бы наука ограничивалась качественными законами. Количественные законы в огромной степени превосходят их. Для таких законов мы должны, разумеется, иметь количественные понятия...
ТЕОРИИ И НЕНАБЛЮДАЕМЫЕ (ВЕЛИЧИНЫ)
Одним из наиболее важных различий между двумя типами законов в науке является различие между тем, что может быть названо (не существует никакой общепринятой терминологии для них) эмпирическими законами и теоретическими законами. Эмпирические законы представляют собой законы, которые могут быть подтверждены непосредственно эмпирическими наблюдениями. Термин «наблюдаемое» часто употребляется для любых явлений, которые могут восприниматься непосредственно, поэтому мы можем сказать, что эмпирические законы являются законами о наблюдаемых.
Здесь следует сделать предостережение. Философы и естествоиспытатели совершенно различным образом употребляют термины «наблюдаемое» и «ненаблюдаемое». Для философа «наблюдаемое» имеет очень узкое значение. Оно применяется к таким свойствам, как «синий», «твердый», «горячий». Такие свойства непосредственно воспринимаются чувствами. Для физика «наблюдаемое» имеет более широкое значение. Оно относится ко всем количественным величинам, которые могут быть измерены сравнительно простым, непосредственным путем. Философ не будет, вероятно, рассматривать температуру в 80° или вес в 93 1/2 фунта как наблюдаемые величины, поскольку невозможно непосредственное восприятие таких величин c помощью органов чувств. Для физика обе величины — наблюдаемые, потому что они могут быть измерены крайне простым путем. Тело может быть взвешено на весах. Температура измеряется термометром. Однако физик не скажет, что масса молекулы, не говоря уже о массе электрона, есть что-то наблюдаемое, потому что здесь процедура измерения является гораздо более сложной и косвенной. Но величины, которые могут быть найдены c помощью относительно простых процедур — длина c помощью линейки, время — часов, частота световых волн — спектроскопа, — называются наблюдаемыми.
Философ может возразить, что сила электрического тока фактически не наблюдается: наблюдается только положение стрелки прибора. Амперметр включают в цепь и замечают, что его стрелка показывает отметку 5, 3. Разумеется, сама сила тока при этом не наблюдается. Она выводится на основе того, что наблюдалось.
Физик ответит, что все это довольно справедливо, но вывод здесь был не очень сложным. Сама процедура измерения настолько проста, так хорошо установлена, что не может быть сомнения в том, что амперметр обеспечит точное измерение силы тока. Следовательно, эта величина войдет в число тех, которые называются наблюдаемыми.
Здесь не может быть вопроса о том, какое употребление термина «наблюдаемое» является правильным или законным. Существует континуум, который начинается c непосредственных чувственных наблюдений и затем переходит к значительно более сложным, косвенным методам наблюдений. Очевидно, что в этом континууме нельзя провести никакой резкой разграничительной линии; все дело только в степени. Философ уверен в том, что он непосредственно воспринимает голос своей жены, находящейся в соседней комнате. Но допустим, что он слушает ее по телефону. Воспринимает ли он ее голос непосредственно? Физик, конечно, будет говорить, что, когда он рассматривает что-либо через обычный микроскоп, он воспринимает это непосредственно. Относится ли это также к тому случаю, когда он рассматривает предмет через электронный микроскоп? Наблюдает ли он путь частицы, когда рассматривает треки ее в пузырьковой камере? В общем, физик говорит о наблюдаемых в очень широком смысле в сравнении c узким смыслом, который имеет в виду философ, но в обоих случаях линия, отделяющая наблюдаемое от ненаблюдаемого, в значительной мере произвольна. Это следует иметь в виду всякий раз, когда эти термины встречаются в книгах, написанных философом или естествоиспытателем. Отдельные авторы будут проводить эту границу там, где это наиболее удобно в зависимости от своей точки зрения, и не существует никаких оснований, почему они не должны иметь такой привилегии.
Эмпирические законы, в моей терминологии, представляют собой законы, которые содержат либо непосредственно наблюдаемые термины, либо измеряемые сравнительно простой техникой. Иногда такие законы называют эмпирическими обобщениями, когда вспоминают, что они получаются путем обобщения результатов, обнаруживаемых посредством наблюдений и измерений. Сюда относятся не только простые качественные законы (такие, как «все вороны — черные»), но также количественные законы, возникающие из простых измерений. Законы, связывающие давление, объем и температуру газов, принадлежат к этому типу. Закон Ома, связывающий разность электрических потенциалов, сопротивление и силу тока, является другим знакомым примером. Ученый делает повторные измерения, находит некоторые регулярности и выражает их в законе. Все эти законы являются эмпирическими законами. Как указывалось в ранних главах, они используются для объяснения наблюдаемых фактов и предсказания будущих наблюдаемых событий.
Не имеется никакого общепринятого термина для второго вида законов, которые я называю теоретическими законами. Иногда их называют абстрактными или гипотетическими законами. Термин «гипотетический», вероятно, не подходит сюда, поскольку он предполагает, что различие между двумя типами законов основывается на степени, c которой эти законы могут быть подтверждены. Но эмпирические законы, когда они являются рабочими гипотезами, подтверждаемыми только в незначительной степени, все же будут оставаться эмпирическими законами, хотя и можно будет сказать, что они имеют скорее гипотетический характер. Теоретические законы отличаются от эмпирических не тем, что недостаточно хорошо установлены, а тем, что содержат термины другого рода. Термины теоретических законов не относятся к наблюдаемым величинам даже тогда, когда принимается предложенное физиком широкое значение для того, что может быть наблюдаемо. Они являются законами о таких объектах, как молекулы, атомы, электроны, протоны, электромагнитные поля и другие, которые не могут быть измерены простым, непосредственным способом.
Если существует статическое поле обширных размеров, которое не изменяется от точки к точке, физик назовет его наблюдаемым, потому что оно может быть измерено простым прибором. Но если поле изменяется от точки к точке на очень малых расстояниях или же очень быстро во времени, может быть биллионы раз в секунду, тогда оно не может быть непосредственно измерено c помощью простой техники. Физик не назовет такое поле наблюдаемым. Иногда физик будет отличать наблюдаемое от ненаблюдаемого именно таким образом. Если величина остается той же самой в пределах достаточно большого расстояния или довольно большого интервала времени, так что для непосредственного измерения величины может быть применен прибор, тогда она называется макрособытием. Если величина изменяется в границах таких крайне малых интервалов пространства и времени, что она не может быть непосредственно измерена прибором, тогда она будет называться микрособытием. (Прежние авторы употребляли термины «микроскопический» и «макроскопический», но сейчас многие авторы сокращают эти термины до «микро» и «макро».)
Микропроцесс представляет собой просто процесс, охватывающий крайне малые интервалы пространства и времени. Например, таким процессом является колебание электромагнитных волн видимого света. Никаким инструментом нельзя непосредственно измерить, как изменяется его интечсивность. Иногда проводится параллель между макро- и микропонятиями и наблюдаемыми и ненаблюдаемыми величинами. Хотя в точности это не то же самое, но приблизительно они совпадают. Теоретические законы относятся к ненаблюдаемым величинам, которые очень часто характеризуют микропроцессы. Если это имеет место, то законы иногда называют микрозаконами. Я употребляю термин «теоретический закон» в более широком смысле, чем упомянутый, чтобы охватить все те законы, которые содержат ненаблюдаемые величины независимо от того, являются ли они микро- или макропонятиями.
Верно, что понятия «наблюдаемое» и «ненаблюдаемое», как отмечалось раньше, нельзя точно ограничить, поскольку они расположены на континууме. Однако на практике это различие обычно достаточно четко выражено, поэтому, вероятно, не вызовет спора. Все физики согласятся, что законы, связывающие давление, объем и температуру газа, являются эмпирическими законами. Здесь количество газа будет достаточно велико, чтобы величины, которые должны быть измерены, оставались постоянными в пределах достаточно большого объема пространства и периода времени. Это позволяет произвести простые измерения, которые впоследствии можно обобщить в законы. Все физики будут согласны в том, что законы о поведении отдельных молекул являются теоретическими. Такие законы относятся к микропроцессам, обобщения о которых не могут основываться на простых, непосредственных измерениях.